Jądro ciemności. Ciemna materia, ciemna energia i niewidzialny Wszechświat

„Jądro ciemności” to wciągająca opowieść o gromadzeniu dowodów przemawiających za powszechnie dziś przyjętym modelem kosmologicznym Lambda-CDM (Lambda- Cold-Dark-Matter), napisana przez jednego z pionierów badań na tym polu. Jeremiah Ostriker w przystępny i wnikliwy sposób opowiada o postępach w badaniach nad ciemną materią i energią, a także wyjaśnia, jakie kwestie wciąż pozostają niewyjaśnione i w jaki sposób naukowcy mierzą się z pytaniami o pochodzenie i naturę ciemnej materii i ciemnej energii.

„Jądro ciemności” to jasny i dogłębny opis najnowszych, zaskakujących osiągnięć w badaniach Wszechświata i kwestii, które wciąż pozostają dla nas tajemnicą. Ostriker i Mitton mają nie tylko ogromną wiedzę, ale i wyśmienity styl.
Martin Rees, Master of Trinity College, University of Cambridge, Astronomer Royal

Jeremiah P. Ostriker jest astrofizykiem i profesorem astronomii na Columbia University. Pracował na Princeton University, kształcił się natomiast na Harwardzie, University of Chicago i University of Cambridge. Jest jedną z najbardziej wpływowych postaci w badaniach nad ciemną materią.

Simon Mitton jest astronomem i pisarzem. Pracuje w St. Edmund’s College, University of Cambridge.

Kosmologia przekształca się w naukę
opartą na danych

Kosmologia, nauka zajmująca się badaniem natury, kształtowania się i ewolucji Wszechświata, uległa niezwykłemu wprost przeobrażeniu od czasów, gdy w latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia obaj byliśmy na studiach. W czasie naszych studiów doktoranckich w Chicago (Ostriker) i Cambridge (Mitton) istniały dwa solidne, ale rywalizujące ze sobą modele: Wielkiego Wybuchu i stanu stacjonarnego. Każdy z nich miał swoich zagorzałych zwolenników i uważano, że wybranie któregoś z nich jest wyłącznie kwestią wiary. Niemal codziennie można było usłyszeć bezkompromisowe stwierdzenia i argumentacje wielkich umysłów usilnie próbujących zrozumieć Wszechświat. Należało się liczyć z tym, że na każdym spotkaniu zawodowych astronomów może paść pytanie: „Czy wierzy pan w teorię stanu stacjonarnego?” lub „I co pan sądzi o całej tej koncepcji Wszechświata Wielkiego Wybuchu?”. W książkach popularnonaukowych poświęconych kosmologii – z tamtych czasów, ale i w najnowszych – daje się wyczuć tę wczesną, niemal teologiczną atmosferę. Kosmologia opierała się niepewnie na domniemaniach, ponieważ danych i twardych faktów mieliśmy wówczas niewiele.

W ciągu minionego półwiecza dokonała się jednak całkowita przemiana kosmologii. Obecnie jest to nauka ścisła w pełnym znaczeniu tego słowa, oparta na zdobytych informacjach. Postęp ten zawdzięczamy spektakularnemu rozwojowi techniki i technologii przetwarzania informacji. Oczywiście wciąż mamy wielkie idee, ale teraz są one kształtowane i ograniczane napływem danych z teleskopów rozmieszczonych na powierzchni Ziemi i w kosmosie. Obserwacje potwierdziły, obficie i dogłębnie, że model Wielkiego Wybuchu jest w zasadzie poprawny. Dzięki wykorzystaniu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i wielu innych urządzeń udało nam się dokonać inwentaryzacji obiektów kosmicznych i sporządzić szczegółowe mapy naszego zakątka Wszechświata, a także, co bardziej zdumiewające, zdołaliśmy przeprowadzić obserwacje sięgające coraz głębiej w czas i przestrzeń i możemy nawet powiedzieć, że teleskopy penetrujące kosmos są swoistymi wehikułami czasu. Gdy za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a badamy wycinek nieba odległy od nas o siedem miliardów lat świetlnych, oglądamy w istocie świat taki, jaki był siedem miliardów lat temu, czyli gdy Wszechświat był o połowę młodszy. Dzięki temu możemy bezpośrednio zobaczyć i zmierzyć różnice między ówczesnym i obecnym kosmosem i opisać jego ewolucję. Nie musimy już uciekać się do domysłów. A raczej, mówiąc ściślej, możemy sprawdzić nasze domysły na temat ewolucji kosmosu, przeprowadzając bezpośrednie obserwacje. Choć nie zdołamy zajrzeć aż do samego Wielkiego Wybuchu, który nastąpił 13,7 miliarda lat temu, potrafimy prześledzić ewolucję zwyczajnych galaktyk niemal do okresu ich narodzin. Co więcej, radioteleskopy krążące na ziemskiej orbicie pozwalają nam cofnąć się w czasie aż do chwili, gdy fotony wyłoniły się po raz pierwszy z pierwotnej zupy, w której były uwięzione przez pierwsze 300 000 lat po Wielkim Wybuchu – możemy zobaczyć promieniowanie będące pozostałością po tym okresie. Dzięki temu da się bezpośrednio obejrzeć i zmierzyć niewielkie pierwotne fluktuacje, które powiększyły się za sprawą grawitacji i przekształciły w bogaty, otaczający nas świat galaktyk, gwiazd i planet.

We współczesnych rozważaniach kosmologicznych każda teoria musi być zgodna z szerokim wachlarzem obserwacji wykonanych w zakresie rentgenowskim, nadfiolecie, świetle widzialnym i podczerwonym, a także w radiowym obszarze widma elektromagnetycznego. Wyniki tych obserwacji, gromadzone w licznych bazach danych, pokazują nam wyraźnie, jak wygląda Wszechświat w naszej epoce, jak doszedł do obecnego stanu i jak się to wszystko zaczęło. Badania kosmologiczne wciąż jeszcze nie opierają się tak silnie na doświadczeniu i nie są aż tak weryfikowalne jak w innych dziedzinach, na przykład w inżynierii, ale w dużym stopniu pozbyły się odurzającego zapachu „teologii naturalnej”. Podobnie jak znajomość faktów geologicznych i biologicznych związanych z naszą macierzystą planetą przegnała na karty literatury fantastycznonaukowej wszelkie rozważania o „potworach z głębokich otchłani”, tak wcześniejsze niczym nieskrępowane kosmiczne fantazje muszą się obecnie poddać ograniczeniom wynikającym z tych wspaniałych, ciągle powiększających się bibliotek kosmologicznej informacji.

Równolegle z tym procesem zakotwiczenia w faktach rozwinęliśmy ilościowe, weryfikowalne teorie oparte na znanych prawach chemii, fizyki i matematyki, które tworzą ramy pozwalające nam odpowiednio zaprezentować te nowe obserwacje. Ponieważ dysponujemy dobrze sprawdzonymi prawami fizyki Isaaca Newtona, opisanie grawitacyjnego wzrostu fluktuacji pierwotnej materii, z których powstały gwiazdy i galaktyki, jest w zasadzie tak proste, jak wyliczenie trajektorii lotu piłki baseballowej lub ruchu okrętu unoszącego się na wodzie. Tego rodzaju obliczenia są oczywiście bardziej złożone, ale nie wymagają użycia matematyki ani teorii naukowych, co do których mamy jakieś wątpliwości. Za sprawą rozwoju techniki dysponujemy też obecnie urządzeniami potrzebnymi do rozwiązania takich równań.

Możliwości obliczeniowe komputerów, zgodnie ze słynnym prawem Gordona Moore’a o wzroście złożoności układów scalonych, powiększyły się od lat sześćdziesiątych ponad milion razy. Obecnie potrafimy przekształcić dowolną teorię w szeroko zakrojone symulacje komputerowe i wychodząc od stanu początkowego zgodnego z obserwacjami radioteleskopowymi, wyliczyć, co się będzie działo dalej, wykorzystując do tego teorie fizyczne Isaaca Newtona, Alberta Einsteina i Nielsa Bohra. Dzięki temu możemy się przekonać, czy potrafimy odtworzyć w komputerze i wizualizacjach uzyskanych wyników obraz świata wokół nas z jego bogactwem szczegółów. To może się udać lub nie, ale nie ma mowy o żadnych oszustwach. Ponieważ obserwacje i obliczenia stają się coraz dokładniejsze, uczeni mają coraz mniej miejsca na niczym nieuzasadnione argumentowanie, że świat „musi działać” w taki a taki sposób, by wszystko było po naszej myśli.

Odkryliśmy, że możemy prowadzić tego typu badania zarówno obserwacyjnie (wykorzystując teleskopy w roli wehikułu czasu), jak i obliczeniowo, i dzięki temu opisać ewolucję Wszechświata z akceptowalną dokładnością. Animacje przygotowane na podstawie wyników symulacji komputerowych naprawdę przypominają rozwój wypadków w naszym Wszechświecie i zgadzają się z tym, co widzimy w naszym kosmicznym wehikule czasu. Jednak osiągnięcie tych wspaniałych wyników wymagało przyjęcia pewnych założeń. Nasz model ewolucji Wszechświata do jego obecnej postaci działa tylko wtedy, gdy założymy istnienie dwóch fantastycznych składników, które nazywamy, z braku lepszego określenia, ciemną materią i ciemną energią. Odkrycie obu tych bytów było dużym zaskoczeniem i początkowo wielu uczonych (co zrozumiałe) sprzeciwiało się ich wprowadzeniu do nauki. Argumentowali oni, że w ten sposób dodajemy jedynie kolejne koła zębate do i tak już złożonego i rozklekotanego mechanizmu w nadziei, iż w ten sposób całe urządzenie zacznie działać poprawnie. Co więcej, tego typu propozycje wydawały się sprzeczne z nowoczesną metodą naukową, ponieważ nie było żadnych niezależnych dowodów przemawiających za istnieniem ciemnej materii i ciemnej energii. W żadnym z laboratoriów na Ziemi nie odkryto jeszcze bezpośredniego dowodu wskazującego na istnienie takich substancji. Są one zbyt rozrzedzone, by można je było łatwo wykryć na Ziemi (choć wielu uczonych cały czas próbuje tego dokonać) i jedynie na ogromnych połaciach przestrzeni kosmicznej wywierają rzeczywisty, obserwowalny wpływ.

Stopniowo jednak odkrywano coraz więcej dowodów na to, że ciemna materia i ciemna energia dominują we Wszechświecie. Wkrótce potem zaczęto przedstawiać różne niezależne argumentacje, które zmusiły astronomów, by poważnie potraktowali istnienie obu tych substancji. Sprawę rozstrzygnął fakt, że te niezależne podejścia stopniowo zaczęły się zbiegać do takich samych wartości oszacowań ilości ciemnej materii i ciemnej energii. Ogólnie rzecz biorąc, w nauce obowiązuje zasada, że jeśli rozwiązanie jakiejś zagadki wymaga wprowadzenia nowej substancji o szczególnych właściwościach, to należy zachować wobec takiej propozycji daleko idący sceptycyzm. Jednak coraz więcej dowodów wskazywało, że taki sceptycyzm jest w tym wypadku nieuzasadniony, ponieważ każde nowe zaobserwowane zjawisko potwierdzało poprzednie oszacowania ilości ciemnej materii i ciemnej energii.

Wystarczy podać jeden przykład. W rozdziale 6 dowiemy się, że ciemną materię odkryto po raz pierwszy w latach trzydziestych ubiegłego wieku w olbrzymich gromadach galaktyk, które są największymi obiektami we Wszechświecie utrzymującymi się w całości pod wpływem własnej grawitacji. Uczeni doszli do wniosku, że ciemna materia znajduje się w przestrzeni między galaktykami. Potem, w latach siedemdziesiątych, odkryto ją na peryferiach pobliskich zwyczajnych galaktyk – naukowcy ustalili, że musi ona tworzyć wokół galaktyk swoiste ciemne halo. Po przeprowadzeniu szczegółowych obliczeń okazało się, że taka sama kosmiczna obfitość ciemnej materii mogłaby wyjaśniać zarówno te zaobserwowane zjawiska, jak i bardziej podstawowy proces powstawania i ewolucji galaktyk i ich gromad. W rozdziałach 5 i 8 opowiemy o tym, jak cała kosmiczna struktura wyrosła pod wpływem grawitacji z nieznacznych fluktuacji zarodkowych i przekształciła się w nasz lokalny Wszechświat. Źródłem grawitacji są skupiska materii – dowiódł tego już Newton w XVII wieku. W latach dziewięćdziesiątych XX stulecia odkryliśmy, że aby mogła się wytworzyć odpowiednia struktura, materii i wynikającej z niej grawitacji musi być „w sam raz”. Taka sama ilość ciemnej materii, jaka potrzebna jest do wyjaśnienia pochodzenia struktury kosmosu, wyjaśnia również dwa pozostałe zjawiska: własności gromad galaktyk i ciemne halo w galaktykach. W końcu w rozdziale 8 dowiemy się, że dzięki gigantycznym teleskopom optycznym udało się nam niedawno odkryć jasne, zniekształcone obrazy niezwykle dalekich obiektów. Tego typu obrazy można wyjaśnić jedynie tym, że na drodze światła muszą się znajdować jakieś skupiska materii działającej niczym soczewka grawitacyjna, która powiększa obraz dużo dalszych obiektów – możliwość wystąpienia takiego efektu przewidział już Einstein. I tak jak poprzednio okazało się, że ilość takiej materii potrzebna do wytworzenia zaobserwowanych obrazów jest zgodna z ilością potrzebną do wywołania omawianych przed chwilą zjawisk. Mamy zatem aż trzy dowody prowadzące do tego samego wniosku.

Wydaje się, że gmach współczesnej kosmologii został postawiony na solidnych fundamentach – ale oczywiście jedynie czas pokaże, czy to prawda. Myślimy, że nakreślony przez nas ogólny obraz jest poprawny, ale naiwnością (i głupotą) byłoby sądzić, że zbliżamy się już do końca epoki odkryć i teraz wreszcie „nam się udało”. W chwili obecnej nie mamy żadnych solidnych przesłanek, które pozwalałyby nam odkryć fizyczną naturę ciemnej materii lub ciemnej energii, nie ulega więc wątpliwości, że wciąż jeszcze musimy się wiele dowiedzieć. Czy powinniśmy się jednak spodziewać jakichś rewolucyjnych odkryć podważających prawdziwość tej opowieści, która wydaje się tak spójna? Czy nauka rozwija się skokowo, przez zmianę kolejnych paradygmatów i wywracanie całego obrazu do góry nogami? Istnieje szkoła myślenia, która kwestionuje zasadność normalnej metody naukowej i pojęcie postępu naukowego. Jej zwolenników bardziej przekonuje opis, w którym zmiany naszego obrazu świata są wynikiem przypadku i bardziej zależą od relacji społecznych między badaczami niż od rzeczywistego zrozumienia przyrody.

Sądzimy jednak, że uważna analiza dotychczasowej historii nauki wyraźnie pokazuje, że taki punkt widzenia jest nieprawdziwy. W ciągu całej długiej historii kosmologii najważniejsi myśliciele zazwyczaj wierzyli, że mają poprawny model, nawet jeśli ulegał on zmianom. Faktem jest, że od powstania współczesnej nauki w epoce renesansu uczeni zwykle mieli rację – choć jednocześnie ich obraz świata cały czas był niepełny. Ich obserwacje i teorie opierały się na „lokalnym” świecie, do którego mieli dostęp, i większy obraz ukazywał się ich oczom dopiero po przesunięciu horyzontu. Udamy się ich śladem w podróż będącą nieustannym poszerzaniem się zarówno pojęciowego, jak i obserwacyjnego horyzontu od naszej planety, poprzez Układ Słoneczny i Galaktykę, aż po cały rozszerzający się Wszechświat. Także nasz horyzont czasowy przesuwał się w odpowiednim tempie, od ludzkiego, historycznego czasu rzędu tysięcy lat, poprzez kilkumiliardową historię Ziemi, aż po nieograniczone być może kosmiczne skale czasowe. W tym procesie odkrywaliśmy raz za razem, że nasz w zasadzie poprawny obraz lokalnego wszechświata jest zanurzony w znacznie większym kosmosie oraz że głównymi składnikami tego wyłaniającego się świata są nowe, dziwne siły i substancje, natomiast znane nam z poprzedniego modelu składniki rzeczywistości okazują się stosunkowo mało istotnymi elementami lokalnymi.

Błędem byłoby oczywiście przecenianie tej ewolucji i odmalowywanie jej jako nieprzerwanego marszu ku postępowi. Próby zrozumienia mechanizmu działania niebios w starożytności czy średniowieczu często kończyły się wprowadzaniem doraźnych poprawek do obowiązującego modelu. Skłonność do jak najszybszego załatania wszelkich luk w teorii nigdy nas nie opuszcza. Nawet Einstein zdecydował się na taki krok, gdy wprowadził do swoich równań arbitralną stałą, by umożliwić istnienie statycznego wszechświata, zgodnego z jego ówczesnym wyobrażeniem. Obecnie jednak, w obliczu zalewu danych z coraz liczniejszych obserwatoriów – dzięki którym uczeni spoglądają w kosmos sponad przesłaniającej obraz ziemskiej atmosfery i widzą Wszechświat coraz dokładniej, w coraz szerszym zakresie długości fal – pozostało już niewiele miejsca na tego typu błędy. Dzisiejsi uczeni są przekonani, że podążając śladem odkrywanych faktów, uzyskali wiarygodny, uzgodniony obraz początków, historii i obecnego stanu Wszechświata oraz że współczesny model, potwierdzony tak wieloma różnorodnymi dowodami, faktycznie wydaje się solidny. Możemy jednak być pewni, że w przyszłości czekają nas jeszcze nowe odkrycia i niespodzianki.

Plan naszej podróży

W tej książce opowiemy o tym, jak ludzkość osiągnęła obecny poziom zrozumienia Wszechświata, który zamieszkuje. Choć postrzeganie rozwoju naszego rozumienia jako ciągu nieustających postępów przestało już być modne, to pozostaje faktem, że wcześniejsze obrazy świata nie były w większości wypadków całkowicie błędne. Były raczej, jak już powiedzieliśmy, niepełne i włączano je w coraz większy i dokładniejszy obraz świata.
W prologu podsumujemy wiedzę, którą ludzkość zgromadziła od starożytności do renesansu, i omówimy pierwszy okres istnienia obserwacyjnej nauki operującej konkretnymi faktami. Przed dwoma tysiącami lat Grecy mieli już dość dokładny model geometryczny układu Ziemia-Księżyc-Słońce, odkryli zjawisko precesji punktów równonocy, a nawet sporządzili pierwsze katalogi gwiazd. Rewolucja kopernikańska, rozszerzona i wzbogacona za sprawą fizyki matematycznej Johannesa Keplera, teleskopów Galileusza i newtonowskiego prawa powszechnego ciążenia, umieściła ten obraz świata w dokładnym modelu Układu Słonecznego. W XVIII i XIX stuleciu uczeni przekonali się, że Układ Słoneczny jest częścią znacznie większego dysku gwiazd widocznego na nocnym niebie, który nazwali Drogą Mleczną. Wokół naszej Galaktyki dostrzegli także zagadkowe mgławice i zastanawiali się, czy są one jakimiś gazowymi obłokami w zewnętrznych jej rejonach, czy też może niezależnymi wszechświatami wyspowymi.

Rozdział 1, „Narzędzia Einsteina i ich zastosowanie”, zaczyna się od omówienia dwóch rewolucji, które dokonały się w XX stuleciu: teorii względności i mechaniki kwantowej. Dzięki tym teoriom poznaliśmy prawa fizyczne pozwalające zrozumieć otaczający nas świat.
W rozdziale 2, „Królestwo mgławic”, rozpoczniemy badanie kosmosu i opowiemy o okresie, w którym teleskopy obserwujące ciemne niebo nad Nowym Światem stały się na tyle mocne, że Vesto Slipher, Edwin Hubble i inni mogli się przekonać, iż tajemnicze mgławice spiralne są częścią rozszerzającego się układu galaktyk, nierzadko podobnych do Drogi Mlecznej.
Rozdział 3, „Zajmijmy się kosmologią!”, i związany z nim bardziej matematyczny dodatek (dodatek 1) pokażą, jak możemy zrozumieć niektóre podstawowe idee fizyczne kosmologii oraz tajemnice rozszerzającego się Wszechświata bez odwoływania się do matematyki i fizyki wykraczającej poza program szkoły średniej.
W rozdziale 4, „Odkrycie Wielkiego Wybuchu”, umieścimy ten obraz świata w kontekście równań Einsteina i nakreślimy współczesny obraz rozszerzającego się, ewoluującego i bardzo gorącego na początku kosmosu, który nazywamy modelem Wielkiego Wybuchu. W drugiej połowie XX wieku odkryliśmy, że niebo skąpane jest w mikrofalowym (radiowym) promieniowaniu tła oraz że lżejsze pierwiastki chemiczne powstały w kosmologicznym piecu. Oba te odkrycia potwierdzają przyjęty model i obecnie wszyscy, którzy zajmują się tą tematyką, uznają prawdziwość teorii znanej jako standardowy model gorącego Wielkiego Wybuchu.